作者：James Aliberti，產品營銷工程師，Texas Instruments

今天，全球許多政府認證機構都在認真考慮，實施嚴格的要求來限制家電以及更高功率的工業(yè)負載的諧波。許多電器如空調、冰箱、洗衣機和干衣機都在考慮從傳統(tǒng)的AC感應電機轉向無刷或永磁直流電機，它還可以稱作調速電機。這些先進的電機可以在相當大程度上更加有效和小于以前的AC類型。不過，即使有所有這些積極的屬性，尤其是在效率方面，還是有一些可能的成本缺點。其中一個缺點是需要一個更為復雜的電機驅動電路，其中包括一個功率因數校正（PFC）電路。

一個變頻電機驅動電路的前端看起來非常類似于一個開關模式電源（SMPS），其中的大容量存儲電容可以從經過整流的電源輸出DC電壓。然后一個控制器或DSP用來提供脈寬調制信號（PWM），為變頻驅動電路饋電。變頻器驅動包含驅動電機的一個三相MOSFET或絕緣柵雙極晶體管（IGBT）橋。這些變頻器，像SMPS一樣，會產生嚴重的諧波含量。這是由于在交流電源電壓超過大容量存儲電容器上的電壓時，電流只有吸入。這個非線性電流耗用，除了引入諧波，還不能以較有效的方式利用供電電壓。如果電流是以良好的線性方式從具有電阻性負載的AC吸入，它吸入的峰值電流遠高于所需的電流。此外，這些峰值電流可能切斷斷路器而帶來令人討厭麻煩，尤其是當該電路與其他家用電器的其他出口共享時。

增加一個主控PFC電路能解決這些問題，有助于電器符合諧波含量的認證要求，以及解決剛才提到的高峰值電流問題。當然，負面是額外的成本。增加的成本可能蔓延到需要增加EMI濾波器、升壓電感器、輸出電容器以及一個半導體控制器，并采用控制器電路。

為了盡量降低主控PFC電路的成本影響，增加提供交錯PFC級可能減少執(zhí)行PFC的成本。交錯的兩個PFC異相180°相位可創(chuàng)建紋波電流衰減。這對直接影響成本有許多好處。這些優(yōu)勢包括更小的EMI濾波器，因為紋波電流偏移可以顯著減少。另一個好處是很小PFC輸出電容器，因為來自紋波電流較低的壓力降低了電容器所需的額定功率。還有小的升壓電感器尺寸和使用更少的磁性材料，因為雙相的總電感體積明顯低于單相設計。較后，由于功耗分布在兩個相位，交錯可以提供較容易的熱管理。

圖1所示為二、三和四相位方案的規(guī)格化紋波電流衰減。值得注意的是，在兩相方案中，100％的紋波電流衰減發(fā)生于50％的占空比內。而在三相位和四相位時，100％紋波電流衰減發(fā)生在50％點的其他兩個占空比工作點。請注意，隨著相位數的增加，基線加寬，在占空比范圍出現大量的衰減。

圖1. 為了二、三和四相位規(guī)格化紋波電流衰減。

下列計算公式顯示了升壓電感器體積如何隨著數目相位增加而減少。這是每相位中較低能量級別的結果。公式1是一個單相PFC設計及電感器中的能量，可以表示為：

  公式1

對于一個兩相交錯設計，公式2顯示了總能量的減少，有助于使用小型升壓電感器：

   公式2

值得注意的是，盡管電感值沒有從單相能量公式變成為交錯的兩相公式，交錯方式的總能量更低。這將有助于在每個相位使用實際尺寸較小的電感鐵芯，因為能量存儲要求更低。

實際的升壓電感值的減少可以利用公式3求出，這里的V是電感器的體積：

公式3

來自交錯PFC的進一步節(jié)省包括MOSFET和二極管的額定電流，它可以至少減少達50％。較小的MOSFET天生更快，可以降低MOSFET開關損耗。這些更小、更低成本的雙相位交錯拓撲結構單元的所有組合使之成為非常具有吸引力和家電應用的可行解決方案。此外，交錯能夠滿足非常高的功率密度需求，由于更小的無源輸入和輸出濾波器和升壓電感器，尤其可以實現低高度。

圖2對兩相交錯PFC與其單相PFC方案進行了對比。圖2a所示為經過整流的供電電壓的半個周期的電流。紅色的波形顯示了單相電感電流偏移，藍色的波形代表交錯方法。這種減少的紋波電流是分別交錯兩個相位180°的一個直接結果，這導致了紋波電流衰減。

         （2a）                                                                                （2b）

圖2. 兩相交錯與單相PFC方案的比較。

圖2b所示為使用單芯片轉換模式的雙相位交錯PFC前置穩(wěn)壓器如UCC28060的簡化電路原理圖。因為在轉換模式PFC中沒有反向恢復條件，升壓二極管可以用更低成本的通用整流器替代，以進一步降低系統(tǒng)成本。

圖3顯示了德州儀器的單芯片連續(xù)導通模式雙相位交錯PFC前置穩(wěn)壓器UCC28070的簡化電路原理。像UCC28060一樣，它是一個臨界導通模式類型，可以提供類似的系統(tǒng)成本節(jié)省。根據應用，你可能需要不同的功率范圍。例如，UCC28060可以用于500W至1kW范圍的更低的功耗，600W直至kW設計的更高的功耗可以使用UCC28070。

圖3.單芯片連續(xù)導通模式雙相位交錯PFC前置穩(wěn)壓器UCC28070的簡化電路原理。

結論

根據一些評估，全球全部發(fā)電量的50％用在了某種形式的電機運行。隨著增加的需求和更高的能源成本，轉向先進電機已變得切實可行。此外，原材料如銅和鋁的成本正在不斷提高。隨著這些綜合的外部壓力，預計這類電機將被大規(guī)模采用及得到大規(guī)模生產投資。隨著時間的推移，用于這些應用的先進調速電機將成為主流。這些電器中的電機有很長的使用周期，使PFC成為電機驅動發(fā)展的一個更重要的因素。

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